CC BY
49
Сер. 4. 2008. Вып. 2
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 537.525.1
А. И. Эйхвальд, В. Ю. Карасёв, Е, С. Дзлиева
ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В МАГНИТНОМ ПОЛЕ*)
Введение. В плазменных кристаллах [1-3] отношение потенциальной энергии взаимодействия пылевых частиц к тепловой энергии достигает существенной величины 105. При этом происходит процесс самоорганизации и упорядочения. Благодаря большой скорости самоорганизации (доли секунды) и возможности наблюдения за частицами в оптическом диапазоне, пылевая плазма очень удобна для исследования процессов роста кристаллических структур, процессов самоорганизации, фазовых переходов, поверхностных явлений, взаимодействия плазмы с поверхностью.
В лаборатории пылевая плазма создается в форме кластеров, монослоев и объемных структур. Одной из особенностей формирования структур в ВЧ разрядах является наличие внутренних полостей, резких границ и скачка плотности пылевой компоненты плазмы - войдов [4]. Трехмерные структуры в стратах имеют разнообразные вариации формы. Помимо наличия войдов, в одном пылевом образовании могут быть выращены две и более отдельных структур. Сама пылевая структура может быть разделена на части, например, с помощью применения термофоретического воздействия [5].
Геометрическая форма выращиваемых искусственных кристаллов, самоорганизующихся и численно моделируемых систем является одной из удобных характеристик. Даже в случае, когда более важным параметром является внутреннее упорядочение, наблюдение за внешней формой остается одним из эффективных методов контроля и управления. В данной работе представлены плазменно-пылевые структуры сложных форм, полученные при применении магнитного поля, термофореза и других воздействий. С помощью изменения скорости роста и вариации полидисперсности формирующих порошков созданы резкие границы в объемной пылевой структуре, исследована устойчивость таких неоднородностей.
В настоящей работе приводится изложение результатов формирования структур с разным типом частиц и прилагаемых воздействий. Описание техники эксперимента и постановки опытов приведено в [6] и [7]. Детальное описание можно найти в следующих работах: [8] -с полидисперсными частицами АЬОз, [9, 10] - с гравитационным и двойным воздействием, [И] - с относительно монодисперсными частицами.
Структуры из относительно монодисперсных частиц. Форма, продольный и радиальный размеры наблюдаемых в стратах пылевых структур зависит от разрядного тока, радиуса разрядной трубки, размеров частиц и способа формирования структур. Наложенное магнитное поле на пылевые частицы действует непосредственно только при больших значениях индукции, порядка 2-3 Тл. При меньших значениях действие оказывается через поток плазменных частиц и изменение энерговыделения в перпендикулярном магнитному полю сечении разряда. Рассмотрим сначала только тепловое воздействие, а затем изменение формы структуры при наложении магнитного поля.
На рис. 1, а—д показана форма пылевой структуры в сечении вертикальной плоскостью в зависимости от разрядного тока. С увеличением тока форма структуры изменяется следующим образом: сокращается в продольном направлении, но увеличивается в поперечном, (рис. 1, а—г). Отношение продольного размера к поперечному может меняться от 0,5 до 0,1.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 07-02-00264).
© А. И. Эйхвальд, В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, 2008
Рис. 1. Изменение вертикального сечения структуры
Зависимость от тока, фотографиям (а) (д) соответствуют 1; 1,5; '2,5; 3,5; 4 мЛ, горизонтальный размер 13 мм; от магнитного ноля, (е) (з) соответствуют 0; 340; 400 Гс при г = 2 мЛ, горизонтальный размер 17 мм; от магнитного ноля и тока, (и), (к) соответствуют 3 мЛ, 400 Гс и 4,2 мЛ, 400 Гс, горизонтальные размеры 13 и 28 мм. Р = 0,7 Торр.
При дальнейшем увеличении тока в центре образуется внутренняя полость войд (рис. 1-д), частицы оттесняются к стенке трубки.
Зависимость формы пылевой структуры от разрядного тока для полидисперспых частиц качественно была исследована ранее в [12]. Наши наблюдения изменения формы структуры в ее вертикальном сечепии при оттеснении структуры к стейке трубки, обнаружили дополнительное изменение. Вертикальный размер структуры увеличивается с ростом радиальной координаты (рис. 1-д). Особенно наглядно этот факт проявляется в дополнительном опыте при смещении структуры к степке трубки внешней силой.
Рис. 2 показывает появление треугольной формы в вертикальном сечепии при смещении структуры силой тер-мофореза влево от оси симметрии трубки. Обнаруженное вертикальное вытягивание структуры вблизи степки трубки (рис. 1-д и рис. 2) говорит о других условиях левитации в данной области разряда. Ближе к степке трубки вертикальная протяженность области, в которой возможна левитация частиц, увеличивается.
В разряде постоянного тока при достаточной степени упорядочения структура состоит из отдельных цепочек частиц [6]. Цепочки ориентированы вдоль
ионного потока. В данных разрядных Рис. 2. Вертикальное сечение структуры, смещеп-
условиях направленное движение ионов влево с оси разряда с помощью силы термо-
ШОРвЗсЬ
определяется дрейфом в электрическом
поле. Вероятно, цепочки ориентированы 1>а:ш(;Р кадРа 110 горизонтали 14 мм. Частицы ишь
бат лития размером '2 4 мкм. Подсветка вертикальной по вектору электрического поля перпеп- „ ,
плоскостью толщиной 1 мм. Условия: газ неон, давле-дикулярпо эквипотенциальным поверх- 1Ш(; р_ 0 7 Торр ра:!ряД11ый ток г = 2. о мА. постям в разряде. Поэтому па больших
радиальных координатах у них появляется наклон к вертикали (рис. 1-д, рис. 2).
Изменение формы (и образование войда в центре) объясняется радиальным балансом сил, действующих па пылевые частицы в структуре (в [12] использовалось условие минимума соответствующих энергий). Для используемых частиц малого размера радиальное равновесие определяется равенством сил термофореза F//, и электрического поля Fe-
4^27?
а
Р'к 15 иТп ^ <1г ! ^
= <^£^1- - (2) Здесь £ теплопроводность газа, а радиус сферической частицы, 1/Тп тепловая скорость атомов, q заряд пылевой частицы, а Ег радиальное электрическое поле разряда. При увеличении тока увеличивается радиальный градиент температуры газа разряда. Согласно нашим оценкам выполненным па основании работы [13] (а также по [12]), перепад температуры по превышает 10 град. Значение заряда частиц взято из [14], зависимость радиального поля моделировалась по [15, 16]. С ростом разрядного тока (радиального перепада температуры) частицы оттесняются от оси трубки и образуют войд.
Рис. 1, о к демонстрирует изменение формы пылевой структуры при наложении продольного магнитного поля. Видно, во-первых, уплощение плазмеппо-пылевой структуры, во-вторых, изменение от выпуклого к вогнутому профилю оо иижпей границы. Особенно наглядно обнаруженное явленно проявляется при больших токах и максимально возможном в наших условиях магнитном поло (рис. 1-и). Ближе к стойко трубки у цепочек появляется наклон, как и в случае увеличения тока.
Говоря об интерпретации, можно отметить несколько причин. Во-первых, с увеличением разрядного тока [17] (и, возможно, магнитного поля) область сильного продольного
а
б
в
Рис. 3. Динамика формирования структуры из полидисперсных частиц АЬОз в Аг, г = 1 мА, Р = 0,2 Торр
Горизонтальный размер 4 мм. Из первоначально созданной структуры методом ВЧ воздействия отфильтрована фракция мелких частиц, (а): они в центре головы страты; (б): начало формирования большой структуры при ин-Жекции новой порции частиц; (в): окончательно сформированная структура. Первоначальное и новое формирование разделены граничным слоем, в котором отсутствуют частицы.
Г Г I ;
-I
Ч
Рис. 4- Размывание внутренней границы двойной структуры при ее вращательном движении в магнитном поле
Условия (а): магнитное поло отсутствует; (б); В = 80 Гс; (в); В = 160 Гс, граница размылась. Горизонтальный размер изображения 7,5 мм.
электрического поля в страте может сжиматься, и форма структуры уплощается (рис. 1, о з). Во-вторых, возможно повышение заряда частиц за счет увеличения температуры электронов и концентрации плазмы. Таким образом, в центральной области структуры (в ее пижпей части) электрическая сила может превосходить силу тяжести частиц, и опи вытесняются из данной области разряда (рис. 1-и, к). Третья возможная причина увеличение силы термофореза из-за повышения эперговклада в данной области при увеличении концентрации электронов. Вероятно, все перечисленные причины вносят свой вклад, по количественные оценки затруднительны, так как к настоящему времени исследований изменения характеристик стратифицированного разряда в магнитном поле пе существует.
Сложные структуры в магнитном поле. Рис. 3 показывает динамику формирования пылевой структуры из полидисперсных частиц АЬОз в Аг. Рисунок демонстрирует
Рис. 5 (а). Пылевая структура, сформированная над узкой вставкой
В верхней части наблюдается войд, частицы в нижней части заходят в узкий разрядный канал. Условия: частицы А1гОз, газ Аг, Р = 0,5 Торр, % =
0,5 мА. Изображение получено путем вертикального сканирования лазерным лучам. Горизонтальный размер изображения 10 мм.
Рис. 5 (б). Изменение форм при вариации тока и наложении магнитного поля
Кольцевая структура вращается в магнитном поле. Камера расположена под углом 30°. Условия: частицы А12Оз, газ Аг, Р = 0,Ь Торр, г = 1,5 мА, В = 60 Гс. Горизонтальный размер изображения 6,5 мм.
формирование граничного слоя. Его отличие от случая монодисперсных частиц [6] в том, что он более устойчив. Никаким из применяемых воздействий его не удается разрушить. Вероятно, физика подобных объектов связана не только с формированием пространственного слоя заряда [18] вокруг отдельной части структуры, но и с сепарацией частиц по размерам. По разные стороны граничного слоя межчастичные расстояния различны, что, возможно, говорит о разном заряде (и размерах) частиц. Наличие данных слоев свидетельствует о «памяти» структуры, отражающей вариации динамики при ее формировании.
Для монодисперсных частиц полученные границы не устойчивы к воздействиям. Они могут самопроизвольно уничтожаться при уменьшении упорядоченности структуры (при нагреве). В упорядоченной структуре они разрушались при вращательном движении [7] в наложенном магнитном поле [и]. Рис. 4 демонстрирует размывание граничного слоя по мере увеличения магнитного поля.
Структуры в области изменения сечения разряда. В тлеющем разряде пылевые структуры могут формироваться в области, образованной резким изменением сечения разряда [19]. В условиях наших экспериментов структуры над диэлектрической вставкой с узким отверстием формировались из полидисперспых частиц АЬОз с плотностью 4 г/см-1 и из по-лидисперспых частиц кремния с плотностью 2.5 г/см-1 (рис. 4-а). Анализ условий показывает, что даппые структуры сформированы только из самых мелких частиц используемых порошков размером мепее 1 мкм. Никакими вариациями разрядных условий подобные образования из частиц ЫКЬОз с плотностью 4.6 г/см-1, пе содержащих фракции мепее 1 мкм. сформировать пе удалось. Это отличается от результатов работы [20], где авторы наблюдали структуры, левитирующие в даппой области разряда из частиц большего размера. В [20] форма наблюдаемых структур пе описана. В наших условиях структуры формируют шаровую форму с войдом
в верхней части, нижней частью заходят в сужение разряда. По мере роста тока и/или магнитного поля войд увеличивается и форма становится кольцевой, а в магнитном поле кольцевая структура приходит во вращение [8] (рис. 5-6). Отличие в дисперсности частиц формирующих структуры в данной работе и в [20] можно объяснить разными значениями продольного электрического поля Е, что вызвано различным отношением сечения разряда в трубке и узкой вставке (20/5 и 30/3,5, соответственно).
Выводы. В работе описано изменение геометрической формы плазменно-пылевых структур, создаваемых в тлеющем разряде постоянного тока. Обнаружено увеличение продольного размера структуры при оттеснении ее к стенке трубки, а также наклон цепочек частиц. При наложении магнитного поля наблюдается изменение нижней границы структуры от выпуклого профиля к вогнутому, и сокращение продольного размера структуры в центральной части.
Структуры, сформированные в магнитном поле, а также состоящие из полидисперсных частиц и имеющие граничный слой наблюдались впервые. Примененные в данной работе внешние воздействия могут быть использованы для конструирования объемных пылевых структур с заданной формой, а также с заданной ориентацией образующих их цепочек, т. е. с определенным внутренним расположением частиц в каждом горизонтальном сечении.
Summary
Eikhvald A. I., Karasev V. Yu., Dzlieva E. S. Variation of dust structure form in magnetic field.
The paper is devoted to control of dust structures formed in glow discharge with the help of magnetic field. Structures were formed in strata and in discharge section variation area. Cases of polydisperse and relatively monodisperse particles are considered. The change of lower boundary profile of dust structure from convex to concave, the inclination from vertical of particle chains displaced towards the tube wall, the smearing of shear of dust density inhomogeneity along with rotation of structure in magnetic field were discovered.
Литература
1. Фортов В. E., Петров О. Ф., Молотков В. И. и др. Пылевая плазма // Успехи физ. наук. 2004. Т. 174, № 5. С. 495-544.
2. Цытович В. Н., Морфилл Г. Е., Томас X. Комплексная плазма: I. Комплексная плазма как необычное состояние вещества // Физ. плазмы. 2002. Т. 28, № 8. С. 675-707.
3. Томас В. X. , Морфилл Г. Е., Цытович В. Н. Комплексная плазма // Там же. 2003. Т. 29, № 11. С. 963-1030.
4. Samsonov D., Goree J. Instabilities in dusty plasmas with ion drag and ionizations // Phys. Rev. (E). 1999. V. 59. P. 1047.
5. Василяк JI. М. и др. Пылевые частицы в термофоретической ловушке в плазме // Журн. экспер. и теор. физики. 2003. Т. 123. Вып. 3. С. 493-497.
6. Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Упорядоченные плазменно-пылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестник С.-Петерб. ун-та, Серия 4: Физика, химия. 2007. Вып. 1. С. 36-41.
7. Karasev V. Yu., Dzlieva Е. S., Ivanov A. Yu., Eikhval’d A. I. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. (E). 2006. V. 74, N 6. P. 066403.
8. Дзлиева E. С., Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И. Исследование магнитомеханического эффекта в газовом разряде с помощью пылевых частиц // Оптика и спектр. 2002. Т. 92, № 6. С. 1018-1023.
9. Дзлиева Е. С., Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И. О гипотезе вращения газа в магнитомеханическом эффекте // Там же. 2004. Т. 97, № 1. С. 107-113.
10. Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Возникновение вращательного движения плазменно-пылевых структур в стратах в тлеющем разряде в магнитном поле // Оптика и спектр. 2006. Т. 100, № 3. С. 503-510.
11. Дзлиева Е, С., Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И. Воздействие продольного магнитного поля на плазменно-пылевые структуры в стратах в тлеющем разряде // Оптика и спектр. 2005. Т. 98, № 4. С. 621-627.
12. Василяк JI. М. и др. Формирование пылевых структур сложной формы в плазме при неоднородном выделении тепла // Журн. экспер. и теор. физики. 2005. Т. 127. Вып. 5. С. 1166-1172.
13. Карасёв В. Ю., Семёнов Р. И., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Измерение радиального распределения плотности газа положительного столба разряда в магнитном поле // Оптика и спектр. 1997. Т. 83. Вып. 3. С. 369-372.
14. Fortov V. Е et al. Dependence of the dust-particle charge on its size in a glow-discharge plasma // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87, N 20. 205002-1-4.
15. Карасёв В. Ю., Семёнов Р. И., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Радиальное электрическое поле в плазме разряда низкого давления // Оптика и спектр. 1995. Т. 78. Вып. 3. С. 393-396.
16. Bickerton R. J., Engel A. The positive column in a longitudinal magnetic field // Proc. Phys. Soc. (B). 1956. V. 69, N. 4. P. 468-481.
17. Thomas E, Observations of high speed particle streams in a glow-discharge dusty plasmas // Phys. of Plasmas. 2001. V. 8, N 1. P. 329-333.
18. Голубовский Ю. В., Нисимов С. У. О двухмерном характере страт в разряде низкого давления в инертных газах // Ж. техн. физики. 1995. Т. 65. Вып. 1. С. 46-53.
19. Грановский В. Л.у Электрический ток в газе. М., 1971. 544 с.
20. Липаев А. М., Молотков В. И, Нефёдов А. П. и др. Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // Журн. экспер. и теор. физики. 1997. Т. 112. Вып. 6(12). С. 2030-2044.
Принято к публикации 18 декабря 2007 г.
